Дефицит энергоносителей и проблемы охраны окружающей среды обусловили формирование такого нового научно-технического направления как биоэнергетика – получение энергии из биомассы, роль которой в энергопереходе очень велика. В развитых странах широко используют топливо, полученное из биомассы (бионефть, биодизель, биогаз, метан, биоводород), которое значительно сокращает выбросы СО2 и позволяет исключить использование природных ископаемых. Наша исследовательская лаборатория изучает вопросы использования новых источников энергии, которые ранее не могли применяться в связи с нерешенностью ряда технологических задач. Одним из таких источников энергии является водород. Водородная энергетика относится к стратегическим направлениям развития Российской экономики, поэтому мы занимаемся исследованиями перспектив использования водорода, как альтернативы существующим углеводородным источникам.
Как показали проведенные нами расчеты, водородная энергетика, начиная с 2040-х годов будет играть заметную роль в мировой ТЭБ, а с 2060-х годов – важную роль и, наконец, с 2080-х годов – одну из ключевых ролей. Поэтому в предстоящей гонке Россия не может быть пассивным наблюдателем, поскольку речь идет не только о новом источнике энергии, но и широком комплексе промышленных технологий (от новых материалов до систем управления), которые могут дать существенные конкурентные преимущества тем, кто ими будет владеть.
По нашему мнению, наиболее перспективным методом производства водорода является получение водорода из биомассы, нами разработано 3 основных способа такого получения биоводорода:
- метод 1 – получение биоводорода путем использования биогаза из биомассы органических отходов, с последующим получением биоводорода за счет риформера и очистки попутного СО2. Нашей научной группой разработана технологическая инструкция по получению биоводорода из биомассы органических отходов и экспериментально получены результаты по процентному содержанию биоводорода в смеси методом паровой конверсии биогазов из биомассы органических отходов;
- метод 2 – получение биоводорода при термофильном анаэробном сбраживании биомассы органических отходов;
- метод 3 – получение биоводорода из биомассы микроводорослей и создание замкнутой биокаталитической системы получения водорода за счет биофотолиза воды.
Все способы получения биоводорода еще находятся на стадии разработок, но в странах Евросоюза, США, Японии проводятся работы по получению водорода из биогазов и его использования в электроснабжении мелких потребителей.
В 2023-2024 году нашей научной группой планируется разработать несколько технологий получения энергии из биомассы (биодизель, биогаз, биоводород) и провести их технико-экономическое обоснование. Биоводород планируется получать по методу 2, из биомассы органических отходов, методом термофильного анаэробного сбраживания. Биогаз с высоким содержанием метана планируется получать из биомассы органических отходов и микроводорослей методом анаэробного сбраживания при мезофильных условиях.
На данном этапе разработана Технологическая инструкция получения биодизеля 3-го поколения из биомассы микроводорослей методом экстракции (рисунок 1), а также проведен выбор наилучшего штамма микроводорослей для получения биодизеля по разработанной технологической инструкции.
Рисунок 1 - Способ получения биодизельного топлива из биомассы микроводорослей
Снижение себестоимости получения биодизеля планируется за счет использования метода этерификации биомассы микроводорослей после очистки воздуха от СО2 и очистки промышленных сточных вод. Научным коллективом планируется разработать метод очистки промышленных выбросов СО2 биомассой микроводорослей рода Chlorella.
Для очистки воздуха от СО2 в замкнутых пространствах был разработан фотобиореактор - биофильтр (рисунок 3), где в качестве фильтрующего материала используется суспензия микроводорослей. Суспензия микроводорослей рода Chlorella очищает воздух в помещении, перерабатывая углекислый газ и вырабатывая кислород. Фотобиоректор обладает при этом эстетическим внешним видом, не занимает много места и может быть использован в любом закрытом пространстве, например, в офисе, учебной аудитории и даже в небольшом производственном помещении.
Рисунок 2 – Лабораторный фотобиоректор «КАСКАД», для очистки воздуха
Для уменьшения негативного воздействия выбросов СО2 и других антропогенных факторов нашим научным коллективом также разработаны способы биологической очистки сточных вод и почв биомассой.
Для очистки сточных вод использовали биомассу микроводорослей (рисунок 3) с последующим использованием отработанной биомассы в качестве дополнительного источника энергии.
а
б
Рисунок 3 - Биомасса микроводорослей Chlorellakessleri (C. Kessleri): а – общий вид, б – клетки и микроструктура поверхности
Такой источник энергии позволит снизить углеродный след за счет двух факторов: 1 – замены традиционных источников энергии на более экологичный источник; 2 – за счет минимизации выбросов вредных веществ в окружающую среду. Результаты данного исследования опубликованы в статье: Politaeva, N.A., Illin, I.V., Oparina, A.M., Donetskova, A.S. New energy approaches to the use of waste biosorbents of microalgae Chlorella kessleri // Povolzhskii Ekologicheskii Zhurnal, 2022, 2022(3), pp. 322–335, (WOS, Scopus), в которой показано:
1 – использование биомассы микроводоросли C. kessleri для очистки сточных вод промышленных предприятий является целесообразным, в виду высокого процента эффективности очистки по ионам меди – 87%.
2 – в результате термогравиметрического анализа установлено, что при разложении биомассы C. kessleri после очистки модельного раствора воды, в интервале температур 335 – 500 °С происходит сильный экзотермический эффект с максимум в 500 °С, что позволяет дать рекомендации для ее использования в качестве источника энергии. Термогравиметрический анализ также позволил сделать вывод о содержании извлеченной меди в биомассе C. kessleri.
3 – установлено, что удельная теплота сгорания остаточной биомассы C. kessleri составила 21 674 кДж/кг, что не уступает удельной теплоте сгорания классических видов топлива.
Для очистки почв была использована биомасса растений (фиторемедиантов), которые продемонстрировали высокую способность извлекать загрязняющие вещества. Результаты данного исследования опубликованы в статье Ilinskiy, A.; Vinogradov, D.; Politaeva, N.; Badenko, V.; Ilin, I. Features of the Phytoremediation by Agricultural Crops of Heavy Metal Contaminated Soils. Agronomy 2023, 13, 127. https://doi.org/10.3390/ agronomy13010127 (WoS, Q1), в которой:
- получены эмпирические зависимости содержания меди, цинка, свинца и кадмия в фитомассе исследуемых сельскохозяйственных культур от значения суммарного показателя загрязнения почвы;
- созданы цифровые модели фитоэкстракции растениями ионов тяжелых металлов;
- показана возможность снижения негативного воздействия от комплекса ионов тяжелых металлов на почвы умеренно опасного загрязнения фитомассой растений- фиторемедиантов.
